一種通過(guò)量綱分析建立鋰離子電池高容量電極材料在充放電過(guò)程中失效機(jī)制圖的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種通過(guò)量綱分析建立鋰離子電池高容量電極材料在充放電過(guò)程中 失效機(jī)制圖的方法;屬于鋰離子電池電極材料領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 材料失效機(jī)制圖的建立，對(duì)材料的設(shè)計(jì)加工和優(yōu)化改性具有重要指導(dǎo)作用。隨著 計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，將有限元數(shù)值模擬、計(jì)算機(jī)仿真與加工實(shí)驗(yàn)有效結(jié)合起來(lái)研究鋰 離子電池高容量電極材料充放電過(guò)程中的失效行為成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。
[0003]鋰離子電池具有高電壓平臺(tái)、高能量密度、低自放電率、循環(huán)壽命長(zhǎng)、無(wú)記憶效應(yīng)、 無(wú)污染等諸多優(yōu)點(diǎn)，是目前最具發(fā)展前景的二次電池，已廣泛應(yīng)用于手機(jī)、筆記本電腦、小 型攝像機(jī)等便攜式電子設(shè)備，在電動(dòng)汽車(chē)、航空航天等領(lǐng)域也展現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景。目前 已商業(yè)化的鋰離子電池正極材料以L(fǎng)iCo〇2、LiMn2〇4、LiFeP〇4和三元材料為主，負(fù)極材料以 碳材料為主。這些材料最大的不足就是其理論容量較低，這嚴(yán)重制約了鋰離子電池在電動(dòng) 汽車(chē)等高比容量需求領(lǐng)域的發(fā)展，因此高容量電極材料的應(yīng)用成為目前研究的主要趨勢(shì)。 Sn、Ge、Si等合金材料以及一些過(guò)渡金屬氧化物都具有非常高的理論比容量，例如Si在滿(mǎn)鋰 狀態(tài)(Li22Si 5)時(shí)理論比容量高達(dá)4200mA h g<，比常用的碳負(fù)極材料的理論比容量(372mA h g<)大10倍。制約這些高容量電極材料在鋰離子電池中應(yīng)用的一個(gè)重要因素是其在充放 電過(guò)程中會(huì)發(fā)生巨大的體積變形，如Si的體積變形率高達(dá)400%。充放電過(guò)程中，伴隨著鋰 離子在正負(fù)極材料中的嵌入和脫出，這是造成其體積變形的主要原因。大的體積變形會(huì)產(chǎn) 生大的應(yīng)力，造成諸多不良影響，如:①直接導(dǎo)致活性材料的斷裂甚至粉化;②破壞活性材 料與基體間的導(dǎo)電路徑，失去電接觸;③破壞活性材料與電解液反應(yīng)生成的固體電解質(zhì)膜 (SEI)，SEI的反復(fù)破壞重生成不斷消耗活性材料，造成不可逆的容量損失，導(dǎo)致了其電化學(xué) 循環(huán)性能的衰退。為了避免高容量電極材料在充放電過(guò)程中的破壞，指導(dǎo)設(shè)計(jì)優(yōu)化電極結(jié) 構(gòu)，與其結(jié)構(gòu)尺寸和材料屬性相關(guān)的失效機(jī)制圖的建立至關(guān)重要。但是，電極材料多為納米 尺度，其鋰化變形反應(yīng)極其復(fù)雜，僅僅依賴(lài)單一的實(shí)驗(yàn)難以對(duì)其失效行為進(jìn)行系統(tǒng)的、全面 的表述，必須另辟蹊徑，探究解決這一問(wèn)題的根本方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的問(wèn)題，本發(fā)明的目的是在于提供一種簡(jiǎn)單、高效，通過(guò)量綱分 析準(zhǔn)確建立鋰離子電池高容量電極材料在充放電過(guò)程中失效機(jī)制圖的方法，以解決現(xiàn)有技 術(shù)中通過(guò)復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)來(lái)探究鋰離子電池高容量電極材料在充放電過(guò)程中的失效的問(wèn)題。
[0005] 為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種通過(guò)量綱分析建立鋰離子電池高容量電極 材料在充放電過(guò)程中失效機(jī)制圖的方法，該方法包括以下步驟：
[0006] (1)根據(jù)Π 定理，建立鋰離子電池高容量電極材料充放電過(guò)程中，失效時(shí)破壞能與 電極材料充放電過(guò)程中各主要參數(shù)之間的無(wú)量綱關(guān)系：
[0007] Γ = Γ (h，E，〇Y，v，S0C)
[0008] 其中，
[0009] Γ表示失效時(shí)破壞能，
[0010] h表示鋰化前電極結(jié)構(gòu)的尺寸相關(guān)參數(shù)，
[0011] Ε，σγ和v分別表示活性材料的楊氏模量、屈服強(qiáng)度和泊松比，
[0012] S0C表示失效時(shí)臨界電荷狀態(tài)；
[0013] 在與Γ有關(guān)的各主要參數(shù)中，選取具有獨(dú)立量綱的參數(shù)Ε和h，以指數(shù)積形式來(lái)表 示其它參數(shù)，得到無(wú)量綱函數(shù)關(guān)系：
[0014]
[0015] (2)選取一系列參數(shù)h和σγ/E，基于連續(xù)介質(zhì)損傷力學(xué)和彈-塑性擴(kuò)散鋰化的有限
元數(shù)值模擬，得到r與h和σγ/Ε的離散數(shù)值點(diǎn)，選取合適擬合函數(shù)，建立Γ與h和σγ/Ε之間的 無(wú)量綱函撕主玄.
[0016]
[0017] (3)通過(guò)函數(shù)關(guān)系表達(dá)式，建立針對(duì)包括納米薄膜、納米線(xiàn)、納米球在內(nèi)的特定電 極結(jié)構(gòu)的充放電過(guò)程中各主要參數(shù)的失效機(jī)制圖。
[0018] 優(yōu)選的方案，在不考慮參數(shù)之間耦合的前提下，充放電過(guò)程中對(duì)鋰離子電池高容 量電極材料失效影響的參數(shù)包括幾何參數(shù)和材料參數(shù)。
[0019]較優(yōu)選的方案，幾何參數(shù)包括h;所述的材料參數(shù)包括Γ、Ε、σγ和V
[0020] 本發(fā)明的通過(guò)量綱分析建立鋰離子電池高容量電極材料在充放電過(guò)程中失效機(jī) 制圖的方法包括以下具體步驟：（1)利用量綱分析的Π 定理，建立鋰離子電池高容量電極材 料充放電過(guò)程中，失效時(shí)破壞能與充放電過(guò)程中各主要參數(shù)之間的無(wú)量綱關(guān)系，
[0021] Γ = Γ (h，E，〇Y，v，S0C)
[0022] 其中，Γ表示破壞能，h是鋰化前電極結(jié)構(gòu)的尺寸相關(guān)參數(shù)，E，〇Y和v分別表示活性 材料的楊氏模量、屈服強(qiáng)度和泊松比，S0C(state of charge)表示失效時(shí)的臨界電荷狀態(tài)；
[0023] 通過(guò)量綱分析，在不考慮參數(shù)之間耦合的情況下，在充放電過(guò)程中對(duì)電極材料失 效影響的主要參數(shù)包括幾何參數(shù)和材料參數(shù)，其中幾何參數(shù)包括鋰化前電極結(jié)構(gòu)的尺寸相 關(guān)參數(shù)h等;材料參數(shù)包括活性材料的破壞能Γ、楊氏模量E、屈服強(qiáng)度 〇Y和泊松比v等，上述 與破壞能Γ有關(guān)的各種主要參數(shù)中，只有應(yīng)力的量綱[Ε]和長(zhǎng)度的量綱[h]是獨(dú)立的，其他 的參數(shù)均可以用這兩個(gè)量綱獨(dú)立的參數(shù)的指數(shù)積形式表示，選取活性材料的楊氏模量E和 鋰化前電極結(jié)構(gòu)的尺寸相關(guān)參數(shù)h，得到無(wú)量綱的函數(shù)關(guān)系為：
[0024]
[0025] (2)確定無(wú)量綱函數(shù)Π :的具體的表達(dá)式，選取一系列幾何參數(shù)和材料參數(shù)(h，σγ/ Ε)，基于連續(xù)介質(zhì)損傷力學(xué)和彈-塑性擴(kuò)散鋰化的有限元數(shù)值模擬，得到破壞能與無(wú)量綱的 幾何參數(shù)和材料參數(shù)的離散數(shù)值點(diǎn)，選取合適的擬合函數(shù)，從而建立破壞能與幾何參數(shù)和 材料參數(shù)無(wú)量綱函數(shù)的具體表達(dá)式如下：
[0026]
[0027] (3)通過(guò)具體的函數(shù)表達(dá)式，建立針對(duì)納米薄膜，納米線(xiàn)，納米球等特定電極結(jié)構(gòu) 的充放電過(guò)程中幾何參數(shù)和材料參數(shù)的失效機(jī)制圖。
[0028] 相對(duì)現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明的技術(shù)方案帶來(lái)的有益效果：本發(fā)明的技術(shù)方案簡(jiǎn)單，新 穎、高效，能較準(zhǔn)確地獲得鋰離子電池高容量電極材料在充放電